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關(guān)鍵技術(shù)得到突破 核鐘距離我們越來越近
2024年09月09日 11:32:48
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：小王 點擊量：5275
核鐘利用原子核內(nèi)部質(zhì)子和中子在特定能級之間的躍遷來計時。相較于原子鐘，這種躍遷涉及原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細變化，而原子核受到外部環(huán)境的干擾遠小于電子，因此原子核的躍遷穩(wěn)定性更高。
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】原子鐘是一種基于量子力學中的原子能級躍遷進行計時的時間測量設備，其穩(wěn)定性非常高，一般來說數(shù)百萬年內(nèi)才會產(chǎn)生1秒的誤差。也正因為其高精度的特點，原子鐘在多個領(lǐng)域中都有廣泛的應用，尤其是在導航、通信、航天領(lǐng)域，具備一定的不可替代性?？杉幢闳绱?，科學家依舊不滿足于現(xiàn)狀，一直在尋找一種超越現(xiàn)有原子鐘的超精確計時技術(shù)。核鐘便是一個重要的發(fā)展方向。
核鐘利用原子核內(nèi)部質(zhì)子和中子在特定能級之間的躍遷來計時。相較于原子鐘，這種躍遷涉及原子核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細變化，而原子核受到外部環(huán)境的干擾遠小于電子，因此原子核的躍遷穩(wěn)定性更高。
但發(fā)展核鐘本身存在許多現(xiàn)階段難以解決的難點。一方面，由于原子核的能級躍遷非常難以直接觀察和測量，因此需要極高的能量和精度來激發(fā)和探測這些躍遷——大多數(shù)原子核需要相干X射線(高頻光)撞擊才能實現(xiàn)能量躍遷，遠超現(xiàn)有技術(shù)所能產(chǎn)生的能量。另一方面要精確控制激光頻率以匹配原子核的躍遷能量，需要先進的技術(shù)進行測量，目前，這些技術(shù)仍處于發(fā)展階段。
關(guān)于這兩方面難題，前者在科學家的不斷探索中得到了解決?？茖W家發(fā)現(xiàn)釷-229的原子核能量躍遷比任何其他已知原子都小，只需紫外光激發(fā)即可，因此也順理成章的將其作為一個重要的突破口。
而另一個問題似乎也在最近得到了起色。據(jù)悉，由美國國家標準與技術(shù)研究所和科羅拉多大學博爾德分校聯(lián)合成立的實驗天體物理聯(lián)合研究所(JILA)領(lǐng)導的國際團隊，成功運用專門設計的紫外線激光，對嵌入固體晶體的釷原子核中能量躍遷的頻率進行了精確測量。并借助光學頻率梳計算出產(chǎn)生該能量躍遷的紫外線波周期數(shù)。這一實驗一定程度上涵蓋了核鐘的所有關(guān)鍵技術(shù)。值得一提的是，新研究中，研究團隊還建立了核躍遷和原子鐘之間的首個直接頻率鏈接，這將是開發(fā)核鐘并與現(xiàn)有計時系統(tǒng)集成的關(guān)鍵一步。
可以期待的是，隨著技術(shù)的不斷進步和研究的深入，核鐘技術(shù)趨于成熟，它將為基礎(chǔ)物理研究及精密測量學帶去新的可能，眾多技術(shù)會因此革新。屆時，核鐘也將以重要儀器的身份，參與到全球定位系統(tǒng)的改進、深空探測任務的導航以及地球物理學、天體物理學和宇宙學中的多種精密測量任務中去，發(fā)揮重要作用。
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